(57)【要約】【課題】ＥＧＲ装置付きの過給エンジンにおいて、ＥＧＲ弁の動作時における過給圧の制御性を向上させる。【解決手段】過給圧センサによる過給圧測定値を取得するとともに、ＥＧＲ弁の開度の変化量に基づいてＥＧＲ弁開度の変化に伴う過給圧変化量を算出する。そして、過給圧目標値と過給圧測定値から過給圧変化量を差し引いた値との偏差に基づいてフィードバック補正量を算出し、過給圧目標値に基づいて算出したアクチュエータの操作量をフィードバック補正量で補正する。【選択図】図１
2013117170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給圧を能動的に変化させるアクチュエータとＥＧＲ弁とを有するＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置において、
過給圧目標値に基づいて前記アクチュエータへの指令値を算出する手段と、
過給圧センサによる過給圧測定値を取得する手段と、
前記ＥＧＲ弁の開度の変化量に基づいて前記ＥＧＲ弁の動作に伴う即時の過給圧変化量を算出する手段と、
前記過給圧目標値と前記過給圧測定値から前記即時過給圧変化量を差し引いた値との偏差に基づいてフィードバック補正量を算出する手段と、
前記指令値を前記フィードバック補正量で補正する手段と、
を備えることを特徴とするＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置。
【請求項２】
ＥＧＲ率目標値に基づいて前記ＥＧＲ弁を操作する手段と、
前記ＥＧＲ率目標値に基づいて前記ＥＧＲ弁の動作に伴い予測される即時の過給圧変化量を算出する手段と、
前記予測即時過給圧変化量に基づいてフィードフォワード補正量を算出する手段と、
前記指令値を前記フィードフォワード補正量でさらに補正する手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−２６４８０５号公報には、可変容量ターボチャージャとＥＧＲ装置を備えたエンジンの過給圧制御に関する問題について記載されている。その問題とは、過給圧とＥＧＲ量は互いに相関があり、可変ノズルの開度を変更すると排気圧が変化してＥＧＲバルブを通過するＥＧＲ量が変動する結果、加速時や減速時といった過渡運転時にはＥＧＲ率の制御性が低下するということである。この問題の解決策として、同公報には、過給圧測定値と過給圧目標値との偏差に基づいた可変ノズル開度のフィードバック制御において、過渡運転時には、フィードバックゲインが定常運転時よりも小さくなるようにフィードバック量を補正するという発明が提案されている。この発明は、可変ノズル開度の変化を小さくして排気圧の急激な上昇を抑制することにより、過渡運転時のＥＧＲ量の増加を抑制することを狙ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２６４８０５号公報
【特許文献２】特開２００１−０９０５７３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２９９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上述の公報では触れられていないが、可変ノズルの動作がＥＧＲ率に影響するのと同じように、ＥＧＲ弁の動作は過給圧に影響する。例えば可変ノズルの開度を一定に保った状態でＥＧＲ弁の開度を開き側から閉じ側に変化させた場合、過給圧は図７のグラフに示すように変化する。図７のグラフには、ＥＧＲ弁開度と同じ時間軸でＥＧＲ率と過給圧の各時間変化が描かれている。このグラフに示すように、ＥＧＲ弁の開度が閉じ側に変化すると過給圧は目標値に対して即時に低下する。そして、時間が経つにつれて過給圧は次第に増大していきやがて一定となる。即時の過給圧の低下は、排気側から吸気側に回り込んで作用していた背圧が作用しなくなったためである。その後の過給圧の増大は排気ガス量の増加によりタービン仕事が増加したためである。なお、グラフ中に点線で示しているように、過給圧の下降・上昇幅はエンジンの運転条件によって異なったものとなる。また、図７に示す例とは逆にＥＧＲ弁の開度を閉じ側から開き側に変化させた場合は、過給圧は図７に示す例とは逆の様相で変化する。
【０００５】
ＥＧＲ弁の動作に伴う過給圧の変化は、図７に示すように、瞬間的な極めて速い変化である。従来の一般的な過給圧フィードバック制御によれば、このような速い変化が生じた場合であっても、過給圧測定値と過給圧目標値との偏差を解消するように可変ノズルが操作される。しかし、ＥＧＲ弁の動作に伴い生じる即時の過給圧変化の速度は、可変ノズルの動作による過給圧変化の速度に比較して速い。このため、過給圧の変化にフィードバック制御を追従させることができず、可変ノズル開度の指令値に対するフィードバック補正量を正確に算出することが難しい。フィードバック補正量が不正確な場合、制御干渉やハンチングの原因となってしまう。このため、従来の一般的な過給圧フィードバック制御は、ＥＧＲが行われる運転領域では積極的に実施することは難しかった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたもので、ＥＧＲ装置付きの過給エンジンにおいて、ＥＧＲ弁の動作時における過給圧の制御性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の課題を達成するため、過給圧を能動的に変化させるアクチュエータとＥＧＲ弁とを有するＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置において、過給圧目標値に基づいて前記アクチュエータへの指令値を算出する手段と、過給圧センサによる過給圧測定値を取得する手段と、前記ＥＧＲ弁の開度の変化量に基づいて前記ＥＧＲ弁の動作に伴う即時の過給圧変化量を算出する手段と、前記過給圧目標値と前記過給圧測定値から前記即時過給圧変化量を差し引いた値との偏差に基づいてフィードバック補正量を算出する手段と、前記指令値を前記フィードバック補正量で補正する手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明のＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御装置において、ＥＧＲ率目標値に基づいて前記ＥＧＲ弁を操作する手段と、前記ＥＧＲ率目標値に基づいて前記ＥＧＲ弁の動作に伴い予測される即時の過給圧変化量を算出する手段と、前記予測即時過給圧変化量に基づいてフィードフォワード補正量を算出する手段と、前記指令値を前記フィードフォワード補正量でさらに補正する手段とをさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、フィードバック補正量の計算には、過給圧測定値そのものではなく、過給圧測定値からＥＧＲ弁の動作に伴う即時の過給圧変化量を差し引いた値が用いられる。このため、ＥＧＲ弁が動作している状況であっても、フィードバック補正量はアクチュエータの動作性能を超えない範囲に収まるようになる。よって、このフィードバック補正量を用いて補正したアクチュエータ指令値によれば、ＥＧＲ弁が動作している状況であっても過給圧の変化にフィードバック制御を追従させることができ、制御干渉やハンチングを回避して過給圧の制御性を向上させることができる。
【００１０】
第２の発明によれば、フィードバック補正量による補正に加えて、フィードフォワード補正量による補正がアクチュエータ指令値に対してさらに施される。フィードフォワード補正量は即時の過給圧変化量の予測に基づいていることから、ＥＧＲ弁の動作に伴う即時の過給圧変化を打ち消すようにアクチュエータを動作させることができる。これにより、ＥＧＲ弁の動作が過給圧制御に与える影響はさらに抑えられ、過給圧の制御性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の制御装置が適用されたＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御システムを示す図である。
【図２】過給圧を構成する即時過給圧変化量（Ａ項）とコンプレッサ特性項（Ｂ項）とについて説明するための図である。
【図３】ＥＧＲ量と即時過給圧変化量（Ａ項）との関係について説明するための図である。
【図４】即時過給圧変化量（Ａ項）とコンプレッサ特性項（Ｂ項）の計算の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１の制御装置による即時過給圧変化量（Ａ項）とコンプレッサ特性項（Ｂ項）の計算結果の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２の制御装置が適用されたＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御システムを示す図である。
【図７】ＥＧＲ弁の動作が過給圧に与える影響について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態１の制御装置が適用されたＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御システムを示す図である。本実施の形態及び後述する実施の形態２では、制御対象であるエンジン２は可変容量ターボチャージャを備えたディーゼルエンジンであるとする。可変容量ターボチャージャには可変ノズル４が備えられている。可変ノズル４は過給圧を能動的に変化させることのできるアクチュエータである。本制御システムは、可変ノズル４を操作することによってエンジン２の過給圧を制御するとともに、ＥＧＲ弁６を操作することによってＥＧＲ率を制御する。ただし、本制御システムで実施される過給圧制御とＥＧＲ制御とは独立したものではなく、過給圧制御ではＥＧＲ弁６の開度が可変ノズル４の開度を決定する上での情報として用いられる。
【００１４】
図１に示す制御システムによれば、過給圧目標値が演算ユニット１０に供給され、ＥＧＲ目標値が演算ユニット１２に供給される。演算ユニット１０は、過給圧目標値に基づいて可変ノズル開度の指令値（以下、ＶＮ開度指令値）を計算し、算出したＶＮ開度指令値を可変ノズル４に入力する。ただし、後述するようにＶＮ開度指令値には過給圧フィードバック制御によるフィードバック補正量が加算される。演算ユニット１２は、ＥＧＲ目標値に基づいてＥＧＲ弁開度の指令値を計算し、算出したＥＧＲ弁開度指令値をＥＧＲ弁６に入力する。可変ノズル４とＥＧＲ弁６はそれぞれ入力された指令値に従って動作する。
【００１５】
可変ノズル４による過給圧制御では、過給圧センサ８による過給圧の測定値を用いてフィードバック制御が行われる。一般的な過給圧のフィードバック制御では、過給圧目標値と過給圧測定値との偏差が算出され、その偏差に基づいてフィードバック補正量が算出される。しかし、本制御システムのフィードバック制御では、以下に説明するように過給圧の測定値を２つの項に分離してフィードバック補正量を計算する。
【００１６】
図２のグラフには、ＥＧＲ弁開度と同じ時間軸でＥＧＲ率と過給圧の各時間変化が描かれている。さらに、過給圧を構成する２つの項の各時間変化が描かれている。第１の項（Ａ項）は可変ノズル４の操作では調整が追いつかないほど変化の速い成分であり、ＥＧＲ弁開度の変化に伴う即時の過給圧の変化量を指す。以下、このＡ項を即時過給圧変化量と呼ぶ。図２に示すケースでは、ＥＧＲ弁が閉じた瞬間に即時過給圧変化量はマイナス側に増大し、その後は減衰してやがてゼロになっている。このような変化を示すのは、即時過給圧変化量は排気側から吸気側に回り込んで作用する背圧に対応しているからである。
【００１７】
第２の項（Ｂ項）は可変ノズル４の操作によって調整が可能な成分であり、タービンへの排気ガスの流入量に応じて変化する。以下、このＢ項をコンプレッサ特性項と呼ぶ。図２に示すケースでは、ＥＧＲ弁が閉じた後、コンプレッサ特性項は次第に増大していき、やがて一定となっている。これは、ＥＧＲ弁が閉じることで排気側から吸気側への排気ガスの再循環が無くなり、タービンに流入する排気ガスの流量が増大してコンプレッサの回転数が増大した結果である。
【００１８】
本制御システムでは、上記の２つの項のうちコンプレッサ特性項をフィードバック補正量の計算に使用する。即時過給圧変化量は可変ノズル４による過給圧制御では追従不可能なのに対し、コンプレッサ特性項は追従可能だからである。以下、コンプレッサ特性項の計算方法について説明する。
【００１９】
過給圧センサ８による過給圧測定値は、即時過給圧変化量とコンプレッサ特性項から構成されている。よって、即時過給圧変化量が分かれば、コンプレッサ特性項は過給圧測定値から即時過給圧変化量を差し引くことで算出することができる。本制御システムは、即時過給圧変化量をＥＧＲ弁開度の変化量に基づいて算出する。以下、図３及び図４を用いて即時過給圧変化量とコンプレッサ特性項の計算の手順について説明する。
【００２０】
図３は、エンジンの吸気通路３０とＥＧＲ通路３２との合流部近傍を拡大して示す模式図である。吸気通路３０にはスロットル３４が取り付けられ、スロットル３４によって新気量が調整されている。ＥＧＲ通路３２にはＥＧＲ弁６が取り付けられ、ＥＧＲ弁６によってＥＧＲガス量が調整されている。エンジンの筒内には新気量とＥＧＲガス量との合計量が供給される。過給圧センサ８は吸気通路３０におけるスロットル３４の下流に配置されている。よって、過給圧センサ８によって測定される過給圧は、新気量とＥＧＲ量との合計量に応じて変化する。
【００２１】
ここで、ＥＧＲ弁６を図３に示す状態から全閉に変化させたと仮定する。ＥＧＲ弁６を全閉にした瞬間、吸気通路３０に流入するＥＧＲガス量はゼロになる。そして、過給圧センサ８により測定される過給圧はスロットル３４を通過した新気量のみで決まる圧力へと即時に変化する。よって、エアフローメータによって現在の新気量を測定することによって、新気量からＥＧＲ弁６を閉じたときの予測過給圧PimLegrを算出することができる。予測過給圧PimLegrは即時過給圧変化量の計算に用いられる。
【００２２】
図４は、即時過給圧変化量とコンプレッサ特性項の具体的な計算の手順について示すフローチャートである。最初のステップＳ２では、前述のように新気量からＥＧＲ弁６を閉じたときの予測過給圧PimLegrが算出される。
【００２３】
次のステップＳ４では、現在の過給圧Pimから予測過給圧PimLegrを差し引くことで、ＥＧＲ弁６の全閉時の即時の過給圧の減少量Pimdelta0が算出される。
【００２４】
次のステップＳ６では、ＥＧＲ弁全閉時の即時過給圧減少量Pimdelta0を現在のＥＧＲ弁６の開口面積で除算することによって、開口面積変化量あたりの即時過給圧変化量Pimdeltaが算出される。
【００２５】
次のステップＳ８では、開口面積変化量あたりの即時過給圧変化量PimdeltaにＥＧＲ弁６の開口面積の変化量を掛け算することで、即時過給圧変化量が算出される。ただし、実際の過給圧の変化はステップＳ８で得られる即時過給圧変化量の生値そのもののようには変化しない。実際には、図２に示したように、過給圧は急激に増大或いは減少したのち緩やかに減衰していく。
【００２６】
そこで、次のステップＳ１０では、即時過給圧変化量の減少時における生値を減衰処理する。これにより図２に示すような様子で変化する即時過給圧変化量（Ａ項）が算出される。
【００２７】
そして、最後のステップＳ１２では、過給圧測定値から即時過給圧変化量（Ａ項）を差し引くことによって、コンプレッサ特性項（Ｂ）が算出される。
【００２８】
再び図１に戻って本制御システムの構成についての説明を続ける。本制御システムは、上述の即時過給圧変化量の計算を演算ユニット１４で行う。演算ユニット１４には、即時過給圧変化量の計算を行うための情報として、ＥＧＲ弁開度、新気量及び過給圧が入力されている。ＥＧＲ弁開度はエンコーダ（図示略）による測定値が入力される。新気量はエアフローメータ（図示略）による測定値が入力される。そして、過給圧は過給圧センサ８による測定値が入力される。
【００２９】
本制御システムは、演算ユニット１４で算出した即時過給圧変化量を過給圧測定値から差し引くことによってコンプレッサ特性項を得る。そして、過給圧目標値からコンプレッサ特性項を差し引くことによって、フィードバック補正量の算出のための圧力偏差を算出する。ただし、圧力偏差の算出に使用する過給圧目標値は、演算ユニット１８において遅延処理されたものが用いられる。演算ユニット１８は、可変ノズル４にＶＮ開度指令値を入力してから過給圧が実際に変化するまでの遅れ時間分だけ過給圧目標値の信号を遅延させる。演算ユニット１８による遅延処理は単純な１次遅れ要素であってもよいし、物理モデルであってもよい。
【００３０】
遅延処理された過給圧目標値とコンプレッサ特性項との圧力偏差は演算ユニット１６に入力される。演算ユニット１６は、ＰＩＤ制御或いはＰＩ制御によって圧力偏差からＶＮ開度指令値に対するフィードバック補正量（以下、ＶＮ開度ＦＢ補正量）を算出する。本制御システムは、演算ユニット１６で算出したＶＮ開度ＦＢ補正量を演算ユニット１０で算出されたＶＮ開度指令値に加算する。そして、ＶＮ開度ＦＢ補正量によって補正されたＶＮ開度指令値に従って可変ノズル４を操作する。
【００３１】
図５は、本制御システムによる計算結果の一例を示したグラフである。図５のグラフには、ＥＧＲ弁開度と同じ時間軸で即時過給圧変化量生値と即時過給圧変化量（Ａ項）の各時間変化が描かれている。このグラフに示すように、即時過給圧変化量はＥＧＲ弁開度に変化があった場合のみ値が発生する。また、ＥＧＲ弁開度が開き側に変化したときには即時過給圧変化量には正の値が発生し、ＥＧＲ弁開度が閉じ側に変化したときには即時過給圧変化量には負の値が発生する。発生する値の大きさはＥＧＲ弁開度の変化量が大きいほど大きくなる。
【００３２】
図５のグラフには、さらに、過給圧目標値と過給圧測定値とコンプレッサ特性項（Ｂ項）の各時間変化が同じ時間軸で描かれている。このグラフに示すように、過給圧測定値はＥＧＲ弁開度の変化に応じて急な変化を示す。詳しくは、ＥＧＲ弁開度が変化した直後に過給圧測定値は急激に変化する。しかし、過給圧測定値と即時過給圧変化量（Ａ項）との差であるコンプレッサ特性項は、ＥＧＲ弁開度が急に変化しているときであってもなだらかな変化を示す。即時過給圧変化量を差し引いたことにより、過給圧測定値に含まれる変化の速い成分が除かれたことによる。
【００３３】
本制御システムは、過給圧目標値とコンプレッサ特性項との圧力偏差を算出する。図５のグラフにおいて影をつけている部分が圧力偏差である。過給圧測定値そのものではなくコンプレッサ特性項が計算に用いられることで、圧力偏差の時間変化はなだらかなものとなっている。ＶＮ開度ＦＢ補正量はこのような圧力偏差に基づいて算出されるので、ＥＧＲ弁６が動作して過給圧が変化している状況であっても、ＶＮ開度ＦＢ補正量は可変ノズル４の動作性能を超えない範囲に収まるようになる。よって、このＶＮ開度ＦＢ補正量を用いて補正したＶＮ開度指令値によれば、ＥＧＲ弁６が動作している状況であっても過給圧の変化にフィードバック制御を追従させることができ、制御干渉やハンチングを回避して過給圧の制御性を向上させることができる。
【００３４】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。
【００３５】
図６は本発明の実施の形態２の制御装置が適用されたＥＧＲ装置付き過給エンジンの制御システムを示す図である。本制御システムは、実施の形態１の制御システムを基礎とし、実施の形態１の制御システムを構成する全ての要素を備えている。本制御システムと実施の形態１の制御システムとの違いは、ＶＮ開度指令値の補正方法にある。本制御システムは、実施の形態１の制御システムと同じくフィードバック補正量であるＶＮ開度ＦＢ補正量によってＶＮ開度指令値を補正するとともに、次に説明するようにフィードフォワード補正量によってもＶＮ開度指令値を補正する。以下、ＶＮ開度指令値に対するフィードフォワード補正量をＶＮ開度ＦＦ補正量と呼ぶ。
【００３６】
本制御システムは、ＶＮ開度ＦＦ補正量を計算するための要素として、演算ユニット２０と演算ユニット２２を備えている。演算ユニット２０は、ＥＧＲ率目標値から即時過給圧変化量の予測値（以下、予測即時過給圧変化量）を算出する。詳しくは、ＥＧＲ率目標値から算出したＥＧＲ開度の予測値と新気量及び過給圧とに基づいて予測即時過給圧変化量を算出する。予測即時過給圧変化量は、演算ユニット１４で算出される即時過給圧変化量に対してＥＧＲ弁６の動作遅れ分だけ未来の予測値である。なお、本実施の形態の場合、演算ユニット１２における演算において、ＥＧＲ率目標値が入力されるタイミングとそれに対応するＥＧＲ弁開度指令値を出力するタイミングとの間に一定のディレイ時間を設けても良い。演算ユニット１４で算出される即時過給圧変化量と予測即時過給圧変化量との間の時間差を確保するためである。
【００３７】
演算ユニット２２は、演算ユニット２０で算出された予測即時過給圧変化量に基づいてＶＮ開度ＦＦ補正量を算出する。ＶＮ開度ＦＦ補正量は、予測即時過給圧変化量を打ち消すように過給圧を変化させるために必要な可変ノズル開度の補正量である。ＶＮ開度ＦＦ補正量の計算には、可変ノズル４の動作に対する過給圧の応答特性をモデル化した物理モデルの逆モデルを用いることができる。本制御システムは、演算ユニット２２で算出したＶＮ開度ＦＦ補正量を演算ユニット１６で算出されたＶＮ開度ＦＢ補正量に加算し、それらの合計補正量を演算ユニット１０で算出されたＶＮ開度指令値に加算する。そして、ＶＮ開度ＦＢ補正量及びＶＮ開度ＦＦ補正量によって補正されたＶＮ開度指令値に従って可変ノズル４を操作する。
【００３８】
ＶＮ開度ＦＦ補正量はＥＧＲ弁開度の変化に伴う即時の過給圧変化量の予測に基づいていることから、本制御システムによれば、ＥＧＲ弁６の動作が過給圧制御に与える影響はさらに抑えられ、過給圧の制御性をより向上させることができる。
【００３９】
その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、過給圧目標値を遅延処理するための演算ユニット１８は省略することができる。また、ＥＧＲ弁６の動作遅れが小さい場合には、演算ユニット１４における即時過給圧変化量の計算において、ＥＧＲ弁開度の計測値に代えてＥＧＲ弁開度指令値を用いてもよい。
【００４０】
なお、本発明の制御装置は、火花点火式エンジンにも適用可能である。また、過給圧を能動的に変化させるアクチュエータはウエストゲートバルブであってもよい。
【符号の説明】
【００４１】
２  過給エンジン
４  可変ノズル
６  ＥＧＲ弁
８  過給圧センサ
１０  ＶＮ開度指令値の計算用の演算ユニット
１２  ＥＧＲ弁開度指令値の計算用の演算ユニット
１４  即時過給圧変化量の計算用の演算ユニット
１６  フィードバック補正量の計算用の演算ユニット
１８  過給圧目標値の遅延処理用の演算ユニット
２０  予測即時過給圧変化量の計算用の演算ユニット
２２  フィードフォワード補正量の計算用の演算ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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